【摘要】：隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在全球各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,用戶對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的快速捕獲跟蹤、高精度定位、高可用性、低功耗和小型化等方面的要求越來越高,尤其是在城市高樓峽谷、涵洞和立交橋等對(duì)衛(wèi)星信號(hào)遮擋較為嚴(yán)重的應(yīng)用環(huán)境中,需求更為迫切。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的基本原理是通過測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)天線的時(shí)間實(shí)現(xiàn)測(cè)距和定位,作為時(shí)間測(cè)量的核心,接收機(jī)的守時(shí)性能是影響前述指標(biāo)的重要因素,因此研究面向?qū)Ш綉?yīng)用的低功耗集成化精密守時(shí)技術(shù),具有重要的工程價(jià)值。在這一背景下,論文開展了以下幾個(gè)方面的研究工作:⑴針對(duì)目前在便攜式導(dǎo)航設(shè)備中常用的AT切石英晶體缺少有效的晶體自測(cè)溫手段這一問題,提出了針對(duì)AT切石英晶體的雙晶體雙頻自測(cè)溫方法。該方法利用AT切石英晶體的頻率-溫度特性隨晶體切角不同而改變的特點(diǎn),通過測(cè)量兩個(gè)頻率相近但切角不同的AT切石英晶體的頻率差反映這兩個(gè)石英晶體真實(shí)溫度,避免了獨(dú)立溫度傳感器因熱時(shí)間常數(shù)與石英晶體不同帶來的測(cè)溫誤差。分析和實(shí)驗(yàn)表明,該方法可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.4390℃/Hz的測(cè)溫分辨率,與昂貴復(fù)雜的SC切石英晶體泛音雙頻自測(cè)溫水平相當(dāng)。⑵針對(duì)目前在便攜式導(dǎo)航設(shè)備中常用的AT切石英晶體的頻率-溫度補(bǔ)償精度偏低這一問題,提出了針對(duì)AT切石英晶體的頻率-溫度復(fù)合特性精確建模方法。該方法在深入分析AT切石英晶體在動(dòng)態(tài)溫度下頻率偏差成因的基礎(chǔ)上,建立了頻率-動(dòng)態(tài)溫度模型,并基于晶體溫度變化歷史給出了熱遲滯效應(yīng)引起的AT切石英晶體頻率偏差公式。分析和實(shí)驗(yàn)表明,運(yùn)用上述兩種動(dòng)態(tài)溫度對(duì)頻率特性影響模型,配合雙晶體雙頻自測(cè)溫法可使AT切石英晶體的頻率-溫度建模誤差由傳統(tǒng)的1×10-6左右,降低至5×10-9,達(dá)到與昂貴的SC切石英晶體相同的頻率-溫度建模精度。⑶針對(duì)目前基于經(jīng)典阻抗分析模型設(shè)計(jì)的高頻低功耗石英晶體振蕩電路工作電流仍然較大(毫安量級(jí)),不利于便攜式導(dǎo)航設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)這一難點(diǎn),提出了基于反饋分析模型的高頻低功耗石英晶體振蕩電路設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法以石英晶體反饋起振原理為基礎(chǔ),運(yùn)用反饋分析模型評(píng)估振蕩電路功耗,不僅穩(wěn)態(tài)電流分析誤差較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法更小,而且還能量化分析初始起振電流條件,更精確控制起振過程,降低電路功耗。流片實(shí)驗(yàn)表明,在深亞微米工藝下,以新設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的6MHz和12MHz石英晶體振蕩電路的穩(wěn)態(tài)振蕩電流可降低至1μA以下,相較于過去的研究成果低了3個(gè)數(shù)量級(jí)。⑷針對(duì)傳統(tǒng)高精度石英晶體守時(shí)以溫補(bǔ)晶振為中心,導(dǎo)致功耗較大這一缺點(diǎn),提出了全數(shù)字軟件化直接溫補(bǔ)守時(shí)的石英晶體守時(shí)技術(shù)。通過時(shí)間-溫度直接補(bǔ)償和增加待機(jī)模式簡化了電路結(jié)構(gòu),避免了傳統(tǒng)頻率-溫度補(bǔ)償架構(gòu)電路復(fù)雜,功耗大的缺點(diǎn),可以將守時(shí)電路工作電流降低至8.5μA�；诟呔鹊念l率特性模型的補(bǔ)償算法完全通過全數(shù)字的軟件修正運(yùn)算實(shí)現(xiàn),克服了傳統(tǒng)架構(gòu)依靠電路補(bǔ)償精度受晶體頻率拉動(dòng)能力限制的缺點(diǎn),守時(shí)補(bǔ)償精度可達(dá)5×10-9,媲美SC切石英晶體溫補(bǔ)守時(shí)精度。⑸針對(duì)傳統(tǒng)石英晶體振蕩器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試效率低下,且只能記錄石英晶體靜態(tài)溫度環(huán)境下的頻率特性等缺點(diǎn),提出了石英晶體振蕩器并行測(cè)試技術(shù)并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試技術(shù)以直接測(cè)頻法為基礎(chǔ),具備并行頻率測(cè)量能力;相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)至少對(duì)100個(gè)石英晶振并行進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)溫度環(huán)境下的頻率特性測(cè)試,顯著提高了守時(shí)電路量產(chǎn)所需的大規(guī)模測(cè)試能力。論文研究成果直接應(yīng)用于我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各類型接收機(jī)的研制等相關(guān)項(xiàng)目中,解決了目前導(dǎo)航接收機(jī)缺少高精度、低功耗、低成本、小型化守時(shí)器件的難題,論文研究成果不僅有重要的理論意義,更有重要的工程價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN965.5

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本文編號(hào)：2537599